夹持式木薯削皮机设计与试验

郝秋菊

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

0 引言

木薯被誉为“淀粉之王”和“地下粮食”，主要用于制造食品、工业淀粉、工业制糖和工业酒精。目前全世界范围内木薯生产机械化程度都不高，全生产过程均依赖人工作业，劳动强度大、效率低，严重制约了木薯产业的发展。木薯属于块根植物，其表皮携带有毒氰化物，必须经过去皮才能食用，如果不及时削皮加工，新鲜木薯容易变质[1-3]。因此，急需研制出用于代替人工的削皮机，提高生产效率，降低木薯变质的可能性，促进木薯产业的发展。

针对木薯机械削皮技术存在的空白，参照马铃薯等农作物削皮机构，设计了一款夹持式木薯削皮机[4-10]。为了保证木薯在去皮过程中保持稳定，并防止木薯被装置勒伤，同时还要适应木薯的形状差异，对木薯夹持机构进行了设计和受力分析。

1 整机结构及工作原理

夹持式木薯削皮机主要由机架、电动机、传动机构、夹持机构和削皮机构组成，通过安装有压缩弹簧的夹持对辊的上下运动，可将不同大小的木薯无损伤喂入，并通过具有仿形功能的削皮机构完成去皮，再将木薯顺利拉出。

削皮机的削皮对象为长度20～35 cm、直径4～10 cm 的木薯，削皮厚度1.5 mm 左右，要求削皮厚度尽可能均匀；单个木薯的去皮率应达到90%以上，并且肉质损失率不超过5%；主轴转速为100 r/min，切削机构的旋转速度为300 r/min，喂入和拉出木薯的速度为15 r/min；削皮机连续工作时，削皮的生产效率应达到5 个/min。

电动机将动力传递给主轴，一方面，传动主轴带动连接在其上的小链轮转动，再由链轮组的两个大链轮分别带动喂入和拉出的下夹持辊，下夹持辊作为主动轮又带动喂入和拉出的两个上夹持辊运转动，实现木薯喂入和拉出输送；另一方面，主轴带动锥齿轮组，与小锥齿轮同轴的链轮驱动刀盘，由刀盘上品字形排列的刀具快速旋转从而完成木薯的削皮工作。夹持式木薯削皮机结构与工作原理如图1 所示。

图1 夹持式木薯削皮机结构Fig.1 Structure of clamping cassava peeling machine

图2 夹持式木薯削皮机样机Fig.2 Prototype of clamping type cassava peeling machine

2 关键部件及参数设计

2.1 传动系统

传动部分由两部分组成，一部分电机将动力传动给夹持机构实现木薯向前的输送功能和完成削皮后的拉出功能，另一部分电机将动力传送给木薯削皮机构，实现削皮动作。从整体布置上，电机放在机架的底部，夹持机构和削皮机构在一起，对大距离的传动过程选用链条实现。根据生产需要，夹持机构需要的扭矩与削皮机构需要的扭矩不同，速度也不同，所以在传动中还需要变速机构，这是通过圆锥齿轮变速实现的。

2.1.1 夹持机构功率

根据设计，夹持辊端面直径为D辊=60 mm，转速为n辊=15 r/min，则对应的辊子速度V辊为

喂入辊在压缩弹簧提供的正压力作用下，依靠摩擦力带动木薯向削皮机构运动，压缩弹簧压力会根据木薯尺寸变化，最大工作载荷F辊为56N，可得到喂入辊轴处对应功率P辊为

喂入辊轴与主轴之间通过链轮组传递动力，滚子链之间的传递效率为 η链=0.96，滚动轴承与轴之间的传递效率为 η滚=0.99，又因为拉出夹持辊同样由另一大链轮驱动，并且拉出和喂入夹持辊同时工作，所以主轴的功率应为两者相加，则对应的主轴上分配给夹持辊的功率PM1为

2.1.2 锥齿轮主要参数

本设计为直齿圆锥齿轮传动，大锥齿轮为主动轮，小锥齿轮为从动轮。削皮机构的传动是由锥齿轮和链轮传动共同组成，主轴转速n=100 r/min，大锥齿轮与主轴直接相连，则大锥齿轮转速n1=n=100 r/min，刀盘驱动轮转速即为刀盘转速n5=300 r/min。总的传动比i15为

因为小锥齿轮（n2）和主动链轮（n3）同轴，而从动链轮（n4）和刀盘驱动轮（n5）同轴，并且本设计的主、从动链轮等速，综合以上因素，得出圆锥齿轮传动比i12为

为了保证削皮机的轻便且从整体设计出发，取大锥齿轮齿数z1=90，根据式（6）可得，小锥齿轮的齿数z2=30。

2.1.3 链轮主要参数

本设计有两处用到链轮传动，分别是由链轮驱动的刀盘和由链轮驱动的夹持辊，因为前者两链轮大小、转速相等、设计简单，在此仅对后者链轮传动机构进行设计。此链轮传动为三链轮机构，与主轴相连的小链轮为主动轮，与夹持辊轴相连的两个大小相等的大链轮为从动轮。根据设计要求，主轴转速n=100 r/min，所以小链轮转速N1=n=100 r/min；大链轮与夹持辊同轴，夹持辊转速为已知N4=15 r/min，所以两个大链轮转速N2=N3=15 r/min。因为是三链轮传动机构，先计算主动小链轮1 和从动大链轮2 的参数。

2.2 传动主轴

2.2.1 轴上零件装配方案

拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定轴的基本形式。所谓装配方案，是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。本设计的轴在装配时，联轴器、链轮、右端轴承和导向块依次从轴的右端向左端安装，左端只装轴承。这样就对各轴承段的粗细顺序做了初步安排。

2.2.2轴上零件定位

为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件需进行轴向和周向定位，以保证其确定的工作位置。 轴上零件的轴向定位是以两个轴承及联轴器等来保证的，可以承受较大的轴向力。周向定位目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。由于采用的角接触球轴承，所以本次设计的主动轴的周向定位是靠轴承、联轴器、键和紧钉螺钉来完成的。

3 试验验证

通过性能试验，测定了木薯皮平均去净率87.2%，肉质损失率5.05%，生产率为4.56 个/min，试验过程中，整机运行平稳、无明显振动且可靠性好，样机基本达到设计要求，能够完成木薯的削皮工作。样机结构如2 所示，试验中发现的机器缺点，为下一步改进设计和完善提供基础。

4 结束语

本设计对夹持式木薯削皮机的传动系统进行了设计和计算，包括动力分配、链轮设计、锥齿轮设计和传动主轴设计等，根据设计要求和功率分配，对链轮系统和齿轮系统进行了选择和设计，保证了工作过程中的稳定性和安全性，验证了设计的合理性。试验结果表明，可初步代替手工作业，具有一定的创新性。